Самый неплотный в мире твердый материал похож на сверкающее дымчатое стекло и почти полностью состоит из воздуха, а крупнее и прозрачнее всех в мире его делают в Новосибирском Академгородке в Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН. Там его производят для детекторов таких гигантов, как Большой адронный коллайдер. В конце уходящего года новосибирский аэрогель показал в эксперименте в Центре ядерных исследований (CERN, Женева) мировой рекорд точности измерений.
Аэрогель – так называется прозрачный, очень прочный и при этом довольно хрупкий материал, сделанный из наноразмерных волокон двуокиси кремния – кварца. Между кварцевыми волокнами расположено множество пор, заполненных не жидкостью, как в обычных гелях, а воздухом. Этот воздушный гель имеет необычайно низкий для твердых веществ коэффициент преломления света. Кроме того, что он почти не искажает траекторию луча, он обладает еще одним ценным свойством.
«Если через него пролетает элементарная частица, она образует в нем направленную вспышку света. По ее направлению можно измерить ее скорость, а, значит, с высокой точностью отличить, например, п-мезон от к-мезона или пион от каона. Скорости этих частиц уступают скорости света на сотые доли процента и могут отличаться между собой лишь в третьем-четвертом знаке после запятой, поэтому различить их при невысокой точности измерений практически невозможно», – объясняет старший научный сотрудник Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН Евгений Кравченко.
Такие детекторы нужны для экспериментов практически на любых коллайдерах, в которых частицы сталкиваются и порождают огромное количество других частиц. Тех самых, которые образовались в результате Большого взрыва, известного всему миру по одноименной теории. Но для определенного круга физиков это предмет практического изучения.
Имитацией рождения Вселенной и изучением этого процесса занимаются все организации-обладатели как больших, так и малых коллайдеров. Причем масштаб потенциального научного открытия вовсе не зависит от размера коллайдера – для рождения каждой частицы нужна своя энергия сталкиваемых частиц и, соответственно, свой размер кольца. Например, длина кольца Большого адронного коллайдера, в котором сталкиваются протоны, составляет 27 км, а электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000 в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН – 24 м. При этом оба они дают физикам новые знания, получение которых зависит, по большей части, от квалификации специалистов и точности произведенных измерений.
Аэрогель - это излучающая часть комплекса измерительного оборудования, куда также входит матрица из кремниевых фотоэлектронных умножителей, на которую фокусируется свет. Причем свойства этих фотоумножителей, которые, кстати, изобрели и впервые изготовили еще в СССР, а теперь успешно производят в нескольких странах мира, прогрессируют огромными темпами. Они становятся цифровыми, уменьшается их размер и увеличивается количество пикселей принимающей матрицы, которая, кроме того, становится все менее «шумной» (уменьшается число ложных срабатываний пикселей). Появляется возможность определения координат фотонов на матрице, упрощается передача и обработка информации. Аэрогелю необходимо за всем этим прогрессом успевать и все точнее фокусировать свет, возникающий от пролетевших сквозь него частиц. Впрочем, если аэрогель сможет фокусировать свет в точку размером с один пиксель, матрица должна будет обеспечить требуемую точность, поэтому сложно сказать, какая часть оборудования задает планку – электронная или оптическая. Это тот случай, когда Россия и зарубежные производители развивают технологии параллельно и синхронно.
Чем масштабнее эксперимент, тем выше требования к качеству материала. Российский аэрогель производства Института катализа СО РАН уже несколько лет используют в Центре ядерных исследований в Женеве (CERN). Недавние испытания очередной модификации – четырехслойного фокусирующего аэрогеля, в котором каждый слой имеет плотность больше предыдущего, – показали, что на сегодняшний день он дает рекордное разрешение по скорости и самую высокую точность измерений. Постепенное увеличение плотности аэрогеля нужно, чтобы он мог корректировать траекторию движения возникающих в нем фотонов и фокусировать их на плоскости детектора. Лучше фокусировка – меньше влияние шума матрицы – точнее измерения. В идеале увеличение плотности аэрогеля должно быть не ступенчатым, как у многослойного, а плавным. Первый прототип аэрогеля с градиентом плотности уже сделан, но технология требует отладки в течение еще, как минимум, двух лет. С января 2013 года начнутся его испытания в Институте ядерной физики им.Г.И. Будкера СО РАН на том же немецком детектирующем оборудовании, которое было установлено в CERN.
Новосибирские физики и химики признаются, что хотя технология была разработана ими самостоятельно, сама идея сделать аэрогель с градиентом плотности позаимствована у американцев, которые использовали такой аэрогель в качестве ловушки для микрометеоритов. Для этого блоки аэрогеля закрепляют на борту снаружи корабля. Микрометеорит влетает в самый неплотный слой аэрогеля, а с увеличением плотности он постепенно тормозится и остается внутри. Микрометеориты ловили в аэрогель еще с борта станции «Мир», а в международной программе НАСА «Звездная пыль» (Stardust) с его помощью поймали миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2. Но аэрогель в космосе применяют также и для регистрации заряженных частиц в космических лучах.
С этой целью новосибирский аэрогель сегодня применяют в экспериментах на МКС (эксперимент АМS-02). Однако регистрировать заряженные частицы можно и без дорогостоящей доставки оборудования на космический корабль – на атмосферных летательных аппаратах. Оборудование с радиатором из аэрогеля поднимали на стратостате в верхние слои атмосферы над Антарктидой в международной программе BESS.
«Размер самого большого однородного по плотности блока аэрогеля, который удалось произвести лидерам этого направления, – 20х20х5 см. Это считается очень крупный блок. Многослойные блоки или блоки с градиентом нам пока удается сделать примерно в полтора раза меньше. Но для экспериментов пока больше и не требуется – важно, чтобы размер аэрогелевого блока удовлетворял параметрам детектирующей матрицы», – говорит руководитель группы аэрогелевых материалов Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Александр Данилюк.
Больше всего ученым хочется производить свои уникальные аэрогелевые блоки для собственного отечества. Детектор с таким блоком нужен, в частности, для чарм-тау фабрики – одного из многомиллиардных мегапроектов, которые с прошлого года рассматриваются в Правительстве РФ. Но физики всего мира сегодня уже обсуждают возможность создания подобной установки в Италии. Сотрудники Института ядерной физики СО РАН пожимают плечами – работать «на два фронта» им не привыкать: все крупные установки, десятки ускорителей и другое оборудование, изготовленное в этом институте, успешно работают сегодня во многих странах. Может быть, поэтому именно в данной области научных разработок, где результаты особенно востребованы за рубежом, ученые, хоть и планируют создать свои крупные установки, но любят напоминать – то ли журналистам, то ли самим себе, – что наука интернациональна и не имеет государственных границ.
Фото автора.
